碾压混凝土坝的渗流特性及其防渗设计碾压混凝土坝的渗流特性及其防渗设计摘要：摘要：碾压混凝土坝现已成为世界坝工建设领域中最受喜爱的新坝型之一，而渗漏问题是与生俱来的，因此从某种意义上说，碾压混凝土坝技术的发展主要取决于渗流控制技术的发展。本文分析了碾压混凝土坝的渗流特性，阐述了碾压混凝土坝防渗设计的目标和要求，着重对防渗设计的具体措施进行了深入分析。关关键词键词： ：碾压混凝土坝 渗流 防渗1 1绪言绪言 碾压混凝土坝(Roller Compacted Concrete Dam 缩写为 RCCD)是将常态混 凝土的结构和碾压土石坝的施工等优点集于一体，具有节约水泥用量、简化施 工工艺、施工速度快和工程造价低等优点。20 世纪 70 年代，许多国家对碾压 混凝土筑坝技术进行了理论研究和科学试验。碾压混凝土坝现已成为世界坝工 建设领域中最受喜爱的新坝型之一。碾压混凝土坝采用分层浇筑的施工方式，如果这些层面间隙时间控制欠妥、处理不当，常会形成相对薄弱面。与碾压混凝土坝本体弱透水性相比较，这些层面往往会成为碾压混凝土坝的渗水通道，含层面的碾压混凝土坝的渗透系数也会显著加大。由此可见碾压混凝土坝的渗漏问题是与生俱来，从某种意义上说，碾压混凝土坝技术的发展主要取决于渗流控制技术的发展。2 2碾压混凝土的渗流特性分析碾压混凝土的渗流特性分析 为了研究混凝土的渗透性能，通常需要自制或改制混凝土渗透仪，在实验 室内测定施加压力水后渗透过碾压混凝土试件的渗水量，利用达西定律，求得 该试件碾压混凝土的渗透系数。碾压混凝土坝渗流特性室内试验可以直接从碾 压混凝土坝中钻取含层面的芯样制成试件，也可以在室内制备含层面的试件， 进行“并联”、“串联”立方体(见图 1)或圆柱体模型的试验。采用龙滩工程 大坝碾压混凝土现场试验的浇筑块，根据现场碾压试验的多种工况，按照串并 联模型的试验方式进行渗透试验研究工作。图 1 碾压混凝土长方体试件的并联及串联渗透试验模型碾压混凝土在渗流特性上是一典型的成层结构挡水建筑物，大量的室内及 现场压水试验都表明，如果处理不当会形成薄弱面，层面成为强透水带。坝体 本体的抗渗性可以达到与常态混凝土相当的水平，但是含层面的碾压混凝土渗 透系数则显著增大，因此可以说碾压混凝土的渗流特性是由碾压混凝土层面来 控制。许多工程的现场压水试验也表明，只要配合比适当，且施工精良的碾压 混凝土坝的透水性也很小。但是由于碾压混凝土坝的施工特点，仍然会存在着 大量的水平施工缝，加上在运输和施工过程中，骨料(主要是粗骨料)容易分离， 特别是在层面附近，分离更为严重，如果处理不当，层面还是会成为强透水面。 通过试验也可以发现，由于拌和料的离散性、铺筑厚度及碾压的不均匀性等因 素，即使同一层面的渗透性也会有很大的差别。由于碾压混凝土本体的透水能 力很小，而层面和缝面的透水能力相对很大，坝体在宏观上呈极强的渗透各向 异性，坝体水平向的水力阻力很小，按目前的施工方法及工艺水平，几乎不可 避免地要出现坝体水平向的透水能力较垂直向的大 2 个数量级以上的现象。 碾压混凝土的抗渗性与胶凝材料用量成正比。胶凝材料用量低于 120kg/m3 时，碾压混凝土的浆体不足以填满砂石材料中的空隙，混凝土的抗渗性能会显 著降低。碾压混凝土的骨料中，小于 0.15mm 微粒的含量也影响抗渗性，微粒起 到填充空隙的作用，所以适量的微粒含量可以改善碾压混凝土的抗渗性。 碾压混凝土的抗渗性和间歇时间成反比，施工中应尽量缩短层面的间歇时 间(尽可能在碾压混凝土的初凝时间内)，长间歇的碾压混凝土层面，通过刷毛 铺砂浆的办法能提高抗渗性。 由于水泥的颗粒的水化过程长期不断进行的，使水泥石的孔隙结构发生变 化，其空隙率随之减小，因此碾压混凝土的抗渗性能随着养护龄期的增长而增 加，且会期抗渗性显著提高。我们发现很多已建工程建成蓄水初期的渗漏量均 比较大，运行一个时期后渗漏量会迅速降低，然后维持到一个现对稳定的较低 的水平。这种特性被称为碾压混凝土坝的渗漏自愈性。3 3碾压混凝土坝防渗设计的目标和要求碾压混凝土坝防渗设计的目标和要求 根据碾压混凝土的渗流特性，可以得出碾压混凝土坝渗流控制设计的具体 目标应为：降低坝体层面上的扬压力；减少渗透水量：防渗体的厚度或排水幕 距坝上游面的距离要有一定的保证，以满足防渗结构和排水幕上游面混凝土中 的水力比降，防止水力击穿等渗透破坏现象。前两项目标需要靠合理地设置坝 上游面防渗体和其后排水幕等排水设施来完成，且要求防渗体的渗透系数最好 要小于坝体垂直向的渗透系数。 对防渗结构的要求应该是：自身稳定、防渗效果好、适应变形能力强、不 易开裂；工程量小、经济施工方便，尤其对坝体碾压混凝土的施工干扰要小； 耐久性好、美观、对水质无污染等。 针对碾压混凝土坝这种固有的复杂渗流特性，国内外专家都对坝体渗控设 计进行了详尽的研究，并且根据“前堵后排”的原则，对坝体上游防渗结构型 式提出了一系列的设计方法。例如，常态混凝土“金包银”防渗结构，钢筋混 凝土面板防渗结构，变态混凝土防渗，沥青混合料防渗以及薄膜薄层防渗结构 等。国内特别是在“八五”、“九五”攻关期间，对碾压混凝土坝进行了大量 的理论分析和实践研究，逐步形成了一种广为接受的上游渗控方案，即在上游 面使用变态混凝土、二级配混凝土和防渗涂料组合防渗。态混凝土、二级配混 凝土和防渗涂料组合防渗。但无论是国内还是国外，都不重视坝下游面的结构设置，因而下游面的结构形式各异，有变态混凝土、也有预制形式等。这些设 置的初衷也仅是为了满足下游面美观性，并没有对下游面的防渗结构形式在理 论上进行论证。4 4防渗实例防渗实例龙滩大坝龙滩大坝 我国已建的碾压混凝土坝中,最大坝高(江垭大坝)为 131，设计中的龙滩 大坝坝高为 216.5，采用全断面碾压技术修建这么高的大坝,在世界上尚属首 例。龙滩高碾压混凝土重力坝最大坝高 192/216.5,水库库容达 272.7 亿3,是 一个多年调节水库,上游迎水面面积达 7.71 万2，由于库大水深，放空机会少， 检修条件差，所以必须研究防渗结构的可靠性与耐久性。由于龙滩工程地处我 国南亚热带气候区，每年夏季高气温时段达 5 个月以上，碾压混凝土浇筑层面 最大的面积达 391002，要求层面暴露时间短，以保证层面结合质量，所以进 行施工措施研究尤为必要。 针对大坝的特点，大坝防渗结构型式选择的三条基本准则，即： 1、防渗结构应自身稳定，防渗可靠。 2、防渗结构应简单，自身施工快速，与碾压混凝土施工干扰少，可进行全 坝面碾压，充分发挥碾压混凝土筑坝的快速优势。 3、防渗结构应耐久、对环境于污染、经济。 龙滩大坝建基面以上为了布置纵横廊道，设有 6厚的常态混凝土垫层， 以上全部采用碾压混凝土,设计要求的坝体碾压混凝土材料分区情况，详见图 2：图 2 龙滩大坝坝体碾压混凝土材料分区图4 4龙滩大坝防渗设计的具体措施龙滩大坝防渗设计的具体措施 1、渗控方案设计主要应采取“前堵一后排一再后堵”的渗控设计原则，关 键是在碾压混凝土坝上游面形成一道相对防渗体，使得库水头在防渗体中得到 很好的消减，防渗体后设置一道或多道排水幕以排出坝体中的渗透水流使得坝 体中的扬压力大大降低，维持大坝的稳定与安全。 2、碾压混凝土坝上游面，设置变态混凝土作为防渗结构体。 厚度可以根据上游面所承受的水压力的大小和水位的变化情况做适当变化， 主要取决于允许渗透比降的大小、防裂要求以及坝体受力和变形特性，尤其要 加强坝体上游面防渗体的温度控制，防止开裂。研究表明，要严格控制变态混凝土的施工质量，防渗体的渗透系数要求小于垂直的渗透系数，即使是只小半 个数量级或 2-3 个数量级也是非常有积极意义的；但这个要求不易满足。这是 目前碾压混凝土坝防渗工作的难点之一。 3、上游面变态混凝土后可以不设二级配碾压混凝土，直接设三级配碾压混 凝土。 考虑到坝体防渗的安全可靠，尤其是在变态混凝土开裂以后，建议加强变 态混凝土后的三级配碾压混凝土的层面处理，确保层面有良好的结合，也能达 到辅助防渗的目的。这样还可以提高施工速度，尽量减少坝体材料种类。 4、劈头裂缝的防治。 不少重力坝上游面产生了几十米深的严重劈头裂缝，这与通仓浇筑有密切 关系。碾压混凝土重力坝也是通仓浇筑，没有二期水管冷却，蓄水时坝内温度 仍然很高，这些情况与通仓浇筑的常态混凝土重力坝基本相似。如果施工时上 游面出现坝面裂缝，在内外温差和缝内裂隙水的共同作用下，也存在着产生劈 头裂缝的可能。劈头缝一定要进行预防，可采用以下措施： （1）在坝体上游面采用较严格的保温措施，例如在上游模板内侧预贴泡沫 塑料保温板，拆模后留在坝面，防止表面裂缝，这是最根本的措施； （2）水库蓄水前，对全部表面裂缝进行防渗处理，以便水库蓄水后能阻止 压力水进入裂缝。 （3）对于高碾压混凝土重力坝横缝间距应减小到 20m 左右。一旦出现劈头 缝，应进行如下处理：首先要打排水孔穿过裂缝，以便迅速降低缝内水压力； 进行上游面堵漏；对裂缝进行化学灌浆。 5、通常碾压混凝土坝的排水设施都布设在紧邻防渗体后，且排水管尽量垂 直于碾压混凝土层面和缝面的切向，以达到最佳的排水减压效果。 6、在大坝下游面设置防渗体以截取渗出水流。 因碾压混凝土坝体为极强渗透各向异性体，在大坝的运行期，大坝下游面 上极有可能出现这样或那样的局部区逸出渗漏现象，因此即使有排水措施和良 好排水作用，大坝下游面也需设置防渗体以截取渗出水流。参参 考考 文文 献献 1 杨华全，任旭华. 碾压混凝土的层面结合与渗流. 中国水利水电出版社， 1999 2 张镜剑. 碾压混凝土坝的历史、现状和趋势. 华北水利水电学院学报， 2000(3) 3 潘家铮，何憬. 中国大坝 50 年. 中国水利水电出版社，2000 4 杨康宁. 碾压混凝土坝施工. 中国水利水电出版社，1997 5 俞介刚. 碾压混凝土 RCD 施工法特点与问题. 东北水利水电，1994(3)